単一エネルギガンマ線源による、同位体識別、分析およびイメージングのための二重同位体ノッチ観測機
【解決手段】単一エネルギガンマ線源による、同位体識別、分析およびイメージングのための二重同位体ノッチ観測機は、観測対象の下流に位置する３つの検出器からなる検出器構成を含む。後の検出器は、ビームモニタとして動作する積分型検出器であり、その表面に到達するトータルのビームパワーを監視する。先の検出器および中間の検出器はそれぞれ、ホイルを囲む積分型検出器を含む。これら２つの検出器のホイルは同じ原子の材料により形成されるが、各ホイルは異なる同位体である。例えば、第１ホイルはＵ２３５を含んでもよく、第２ホイルはＵ２３８を含んでもよい。これらのホイル片を囲む積分型検出器は、ホイルから散乱されるトータルのパワーを測定し、最終ビームモニタと同様な構成を有してもよい。較正後、非共鳴フォトンは両方のホイルから同等に散乱されるであろう。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００６年９月２６日に提出された米国特許出願第１１／５２８１８２号の一部継続出願である。米国特許出願第１１／５２８１８２号は参照により本明細書に組み込まれる。米国特許出願第１１／５２８１８２号は、２００５年９月２６日に提出された米国仮出願第６０／７２０９６５号の優先権の利益を享受する。
【０００２】
米国政府は、米国エネルギ省とローレンス リヴァーモア ナショナル セキュリティ，エルエルシーとの間の契約書番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従い、本発明の権利を保有する。
【０００３】
本発明は、単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙｓ）を利用するアプリケーションに関し、特に同位体を特徴化するためにＭＥＧａ−ｒａｙｓを利用する技術に関する。
【背景技術】
【０００４】
ＭＥＧａ−ｒａｙ源は、相対論的電子線（数百ＭｅＶ）からの、高エネルギ（ジュールクラス）で持続時間の短い（数ピコ秒）レーザパルスの放出によって生成される。その結果得られる放出フォトンは細いビーム（典型的にはミリラジアン程度のビームの開き）で前方に向けられ、単一エネルギ的であり、調整可能であり、偏光されている。また、放出フォトンは、１ＭｅＶを超えるガンマ線エネルギにおいて、最良のシンクロトロンにより得られるピークフォトン輝度（単位面積当たり、単位帯域幅当たりのフォトン数／秒／単位立体角）を１５桁以上上回るピークフォトン輝度を有する。そのようなビームは、特定の同位体の核内の陽子を効率的に励起することができる。これは核共鳴蛍光（ＮＲＦ）と呼ばれる。ＮＲＦ共鳴エネルギは核内の陽子および中性子の数の関数であり、したがって同位体ごとの一意なシグネチャとなる。特定の同位体を識別するためにＮＲＦを使用できることが提案されている。ＭＥＧａ−ｒａｙ源はこのアプリケーションについて理想的であること、および、ＭＥＧａ−ｒａｙ源は同位体の識別を可能とするだけでなく、所与の対象における同位体の量および空間分布を決定するために使用されうること、がさらに提案されている（Ｔ−ＲＥＸ／ＦＩＮＤＥＲ）。これらのタスクを完遂するため、特定の対象を通過したＭＥＧａ−ｒａｙビームを解析する。ＮＲＦ共鳴は狭く、典型的には共鳴エネルギに対して１０Ｅ−６程度の幅である。例えば、１ＭｅＶの共鳴エネルギについて１ｅＶ程度の幅である。一方ＭＥＧａ−ｒａｙ源はそのキャリアエネルギに対して典型的には１０Ｅ−３程度の幅である。例えば、１ＭｅＶのキャリアエネルギについて１ｋｅＶ程度の幅である。ベールの法則にしたがうと、所与の量（例えばグラム）の共鳴同位体は、ＭＥＧａ−ｒａｙビームから対応する量の共鳴フォトンを取り除く。したがって、対象を通過したＭＥＧａ−ｒａｙビームにおける共鳴フォトンの欠落の検出または測定を使用することで、物質の存在を決定できるだけでなく、その位置およびその量をも決定することができる。そうするためには、ＭＥＧａ−ｒａｙビームから所望の対象によって取り除かれた共鳴フォトンの数を決定することができる検出器が必要である。既知のガンマ線分光技術は、ＭｅＶスペクトル領域では１０Ｅ−３よりも良い分解能を出すことができないので、そのタスクを完遂することができない。ベルトッティ他（ベルトッティ特許）によって提案されるひとつの方法は、知りたい対象の後に観測下の物質を用い、ビームからのＮＲＦ共鳴フォトンの除去を評価することを想像している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
具体的な例を使用してベルトッティの提案をより詳しく考えてみる。例えば渡洋貿易のために使用されるような大きな容器の中に隠されたＵ２３５を見つける状況を考える。ベルトッティの提案は特に、制動放射源によって生成されるような多色ガンマ線ビームによる検査に適用される。図１Ａを参照すると、ベルトッティの提案では、カーゴ容器１２を通過したビーム１０は２つの「検出器」に作用する。透過検出器１４は、対象および第１検出器１６を通過したトータルのガンマ線を測定するエネルギコレクタである。第１検出器１６は容器内で探している物質／同位体の片（典型的にはホイル）からなる。すなわち、この例では、ホイルはＵ２３５のホイル１８である。検出器１６内のＵ２３５のホイルは、大面積ガンマ線分光計２０によって囲まれる。大面積ガンマ線分光計２０はＵ２３５ホイル１８によって散乱されたフォトンのスペクトルを測定する。カーゴ容器の中に数グラムよりも多い量のＵ２３５が存在する場合、共鳴フォトンは検査ガンマ線ビームから取り除かれ、Ｕ２３５のホイルを囲むガンマ線分光計は共鳴フォトンを観測しないであろう。図１Ｂに示されるように、検査ホイルにより散乱される光は、コンプトン散乱されたフォトンやデルブリュックフォトンや種々のエネルギ粒子などの非ＮＲＦフォトンおよび粒子２２からなるであろう。ビーム１０が容器内のＵ２３５を伝播しない場合、非ＮＲＦフォトンおよび粒子に加えて、散乱光の分光はＮＲＦフォトン２４を示すであろう。図２Ａは、Ｕ２３５物質３２を含むカーゴ容器３０を示す。Ｕ２３５物質３２は多色ビーム３４によって検査される。多色ビーム３４はＵ２３５線と共鳴する光を含む。図２Ｂに示されるように、散乱光の分光は非ＮＲＦフォトンおよび粒子３６のみを示し、したがってＮＲＦフォトンがないことを示し、したがって容器内にＵ２３５物質が存在することを示すであろう。この方法は原理的には動作するものの、いくらかの重大な制約を有する。特に、その方法が有効となるためには、散乱されたフォトンのガンマ線分光が要求される。ガンマ線分光は困難であり、ほぼ全ての場合において一度にひとつのガンマ線を収集しそのフォトンのトータルエネルギを解析することによって実現される。時間的に均等に分布するフォトン、例えば制動放射源から来るフォトンを有するビームの場合には、これはうまくいく可能性がある。しかしながら、制動放射源は、その広い帯域幅およびビームの開きのために透過ベースのＮＲＦ検出スキームには適していないことが示されている。広い帯域幅およびビームの広がりの両方はＮＲＦ検出に要求される条件にはマッチしない（プルート他の論文）。ＭＥＧａ−ｒａｙビームは、その狭い帯域幅および小さなビームの開き（制動放射よりも１００倍小さい）のために透過検出に適している。しかしながら、これらの源はその性質上大きなフォトンバーストを生成する。例えば、１秒当たり１０回から１００回のレートで、パルス当たり１０Ｅ１０程度のフォトンバーストである。ＭＥＧａ−ｒａｙ源は単一フォトン計測ベースのガンマ線分光にはマッチしない。
【０００６】
ベルトッティの方法の制約を除去する代替的な方法が望まれている。
【０００７】
レーザベースの逆コンプトン散乱による単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙｓ）源によって励起される核共鳴蛍光（ＮＲＦ）を介した、同位体の効率的な検出、分析およびイメージングを可能にすることが、本発明のひとつの目的である。
【０００８】
この目的および他の目的は、本明細書における開示に基づいて明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施の形態によると、単一フォトン計数分光の必要性が、ＭＥＧａ−ｒａｙベースの検出構成により軽減される。図３Ａは、観測対象の下流に位置する２つではなく３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す。後の検出器はビームモニタとして動作する積分型検出器であり、その表面に到達するトータルのビームパワーを監視する。この透過型検出器は、例えば米国特許出願公開第２００６／０１８８０６０号に記載されているベルトッティスキームにおける後の検出器と同等のものであってもよく、その出願は参照により本明細書に組み入れられる。先の検出器および中間検出器はそれぞれ、ホイルを囲む積分型検出器を含む。これら２つの検出器のホイルは同じ原子の材料により形成されるが、各ホイルは異なる同位体である。例えば、第１ホイルはＵ２３５を含んでもよく、第２ホイルはＵ２３８を含んでもよい。これらのホイル片を囲む積分型検出器は、ホイルから散乱されるトータルのパワーを測定し、最終ビームモニタと同様な構成を有してもよい。較正後、非共鳴フォトンは両方のホイルから同等に散乱されるであろう。すなわち、コンプトンやデルブリュックは１次近似では同位体の核子数に依存せず、原子の関数である。図３Ｂに示されるように、検査対象がＵ２３５を有さず検査ＭＥＧａ−ｒａｙビームがＵ２３５共鳴遷移に合わされている場合、第１ホイルは非共鳴フォトンに加えて共鳴フォトンも生成して散乱し、したがって第１ホイルからは第２ホイルよりも多くのエネルギが生じるであろう。検査対象の内容を診断するための種々の方法が本明細書で提供され、それらは本発明の範囲内にある。例えば、各ホイルによって散乱されたエネルギの比や各ホイルによって散乱されたエネルギの差を使用して、検査対象内での物質の存在を決定するだけでなく、以下も行える。すなわち、正確な比や差は物質の存在量の関数であり、したがってこの検出構成は量的なアッセイ情報を提供することもできる。ホイルを小さなピクセルに配置することによって、ＭＥＧａ−ｒａｙビームおよびＮＲＦを使用して特定の同位体の位置を高い空間分解能（ミクロン）で決定することもできる。
【００１０】
このジェネリックな構成は、１０ＲＥ−３幅の透過ＭＥＧａ−ｒａｙビームのなかで１０Ｅ−６幅のノッチの深さを効果的に識別するので、二重同位体ノッチ観測機（ＤＩＮＯ）と称される。ＭＥＧａ−ｒａｙ源は新しい（まだ数年しか経っていない）ので、だれもＤＩＮＯ的な検出器をどのように作るかについて考える必要はなかった。複数のＤＩＮＯ構成は本発明の範囲内にあり、そのような構成は以下を含むがそれに限定されない。
ａ）連なるホイル。ここでは、第１ホイルの減衰は較正され、測定の一部として取り入れられる。
ｂ）回転ホイル構成。ここでは、２（またはそれ以上）のホイルが連続ＭＥＧａ−ｒａｙパルスのビーム内に交互に配置される。
ｃ）同位体の複数構成。この構成は、ひとつ以上の同位体を同時に検出し分析するために、二重または多色ＭＥＧａ−ｒａｙビームと共に用いられる。
ｄ）両方のホイルおよびビームモニタからの信号の比により決定される検出および分析。
ｅ）両方のホイルおよびビームモニタからの信号の差により決定される検出および分析。
ｆ）物質の存在および量を決定するために、ビームモニタを使用せず同位体からの散乱のみを使用すること。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面は本開示に組み入れられ本開示の一部を形成する。添付の図面は本発明の実施の形態を説明し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明する役割を有する。
【００１２】
【図１Ａ】カーゴ容器を通過したビームが２つの検出器に作用する従来技術に係る構成を示す図である。
【００１３】
【図１Ｂ】検査ホイルによって散乱された光を示す図である。
【００１４】
【図２Ａ】Ｕ２３５物質を含むカーゴ容器を示す図である。Ｕ２３５物質は多色ビームによって検査される。多色ビームはＵ２３５線と共鳴する光を含む。
【００１５】
【図２Ｂ】非ＮＲＦフォトンおよび粒子のみを示す散乱光のスペクトルを示す図である。
【００１６】
【図３Ａ】ビーム経路上にＵ２３５を有さない容器の下流に位置する３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す図である。
【００１７】
【図３Ｂ】検査対象がＵ２３５を有さず検査ＭＥＧａ−ｒａｙビームがＵ２３５共鳴遷移に合わされている場合、ホイルは非共鳴フォトンに加えて共鳴フォトンも生成して散乱し、したがって第１ホイルからは第２ホイルよりも多くのエネルギが生じることを示す図である。
【００１８】
【図４Ａ】ビーム経路上にＵ２３５を有する容器の下流に位置する３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す図である。
【００１９】
【図５】本発明の一例を示す図である。そこでは、テスト対象を出た後、プローブビームはビームモニタリング検出器に伝播する前に、Ｕ２３８ホイルを通過し、次にＵ２３５ホイルを通過する。
【００２０】
【図６Ａ】単一回転ホイルを使用する実施の形態を示す図である。
【００２１】
【図６Ｂ】図６Ａの回転ホイルの半分２つを示す図である。
【００２２】
【図７】有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビームの一部がＵ２３５ピースおよびＵ２３８を同時に通過する一例を示す図である。
【００２３】
【図８】Ｕ２３８物質のピクセルと列になっているＵ２３５物質のピクセルを通過伝播する有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図３Ａは、ビームの経路上にＵ２３５もＵ２３８もない本発明の実施の形態を示す。特に、ＭＥＧａ−ｒａｙプローブビーム５０はＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられている。ビーム５０の経路は容器５２を通過する際、Ｕ２３５物質ともＵ２３８物質とも交差しない。容器５２を通過した後、ビーム５０は第１ホイル５４に伝播してそれを通過する。第１ホイル５４は積分型検出器５６によって囲まれている。ホイル５４を通過した後、ビーム５０は第２ホイル５８に伝播してそれを通過する。第２ホイル５８は積分型検出器６０によって囲まれている。ホイル５８を通過した後、ビーム５０は積分型検出器６２に伝播する。ビーム５０はＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられている一方、容器５２を通過する際Ｕ２３５に出会わないので、ビーム５０内でＵ２３５共鳴フォトンの低減は発生しない。したがって、Ｕ２３５ホイル５４は、仮にビーム５０が容器５２を通じた経路上でＵ２３５に出会ったとした場合のＮＲＦよりも多量のＮＲＦを生成する。もし仮にビーム５０内の全ての共鳴フォトンが除去されてしまう程度に十分な量のＵ２３５が容器５２内のビーム５０の経路上に存在するとした場合、減衰ロスを考慮した各検出器での信号の規格化の後、ホイル５４および５８からの非共鳴フォトンおよび散乱の量は１次近似で同じになるであろう。図３Ａの例では、容器を通じたビーム経路内にはＵ２３５（またはＵ２３８）は存在しない。したがって、非共鳴フォトンおよび散乱粒子に加えて、積分型検出器はプローブビーム５０とホイル５４のＵ２３５との相互作用により生成される共鳴を集める。図３Ｂは、図３Ａの例における、積分型検出器５６および５８によって生成される信号を示す。図４Ａの要素は、ビーム５０が容器５２を通過する際のそのビーム５０の経路内にＵ２３５物質６２が存在するという点を除いた全ての点で、図３Ａの要素と同等である。この例では、ビーム５０から全ての共鳴フォトンを除去できる程度に十分な量のＵ２３５が存在する。したがって、図４Ｂに示されるように、ホイル５４からのＵ２３５ＮＲＦの生成はない。ホイル５４によってＵ２３５ＮＲＦが全く生成されない場合、ビーム経路内のＵ２３５の量を推し量ることはできない。例えば出願番号１１／５２８１８２（米国特許第７５６４２４１号）には、本発明で使用されるＭＥＧａ−ｒａｙ源によって生成されるガンマ線エネルギ（１ＭｅＶを超える）の大きさが示されており、その出願は参照により本明細書に組み入れられる。そのガンマ線エネルギの大きさにより、本発明は、容器５２を通じたビーム５０の経路内にＵ２３５が存在しても、ホイル５４においてＵ２３５ＮＲＦを生成することができる。したがって、ホイル５４によって生成されるＵ２３５ＮＲＦの量が、ビーム５０が容器５４を通じた経路上でＵ２３５に出会わない場合に生成される量よりも少ない場合、生成されるＵ２３５の量はビーム５０の経路におけるその物質の量を示す。さらに、ビーム５０の経路を容器５２に対して動かすことで、容器５２内でのＵ２３５物質の２Ｄおよび３Ｄの両方のイメージが得られる。２Ｄおよび３Ｄイメージを得るための他の技術が以下に説明される。さらに他の技術は、本明細書における説明に基づき、当業者には自明であろう。本発明はＵ２３５の存在、アッセイおよびイメージを決定する例を使用するが、本発明は他の物質でのアプリケーションにおいて同じ目的で使用されうる。
【００２５】
図５は別の例を示す。そこでは、テスト対象（不図示）を出た後、プローブビーム７０はビームモニタリング検出器９０に伝播する前に、Ｕ２３８ホイル７２を通過し、次にＵ２３５ホイル８２を通過する。積分型検出器７４は断面で示されており、ホイル７２の近くに配置されている。積分型検出器７４は本例ではホイル８２の近くに配置された検出器８４と実質的に同様である。積分型検出器７４はシンチレータ７６および２つの光電子増倍管７７および７８から形成される。コンプトンシールド７９はホイル７２とシンチレータ７６との間に配置される。
【００２６】
図６Ａは、上記の二重ホイルでなくむしろ単一回転ホイルを使用する実施の形態を示す。この例では、テスト対象を出た後、ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１００は回転ホイル１０２を通過し、積分型検出器１０６に作用する。積分型検出器１０４は図５の検出器７４および８４と同様であり、回転ホイル１０２の近くに設けられる。図６Ｂは、回転ホイル１０２の正面図である。図６Ｂに示されるように、回転ホイルの半分１０２’はＵ２３５を含み、もう半分１０２’’はＵ２３８を含む。ビーム１００は固定レートでパルス化されており、回転ホイル１０２は、ビーム１００のパルスのレートの半分の固定レートで回転する。そのような回転レートでは、ビーム１００はあるパルスにおいてＵ２３５部分を通過し、次のパルスにおいてビーム１００はＵ２３８部分を通過するであろう。
【００２７】
図７は、有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１２０の一部がＵ２３５ピース１２２およびＵ２３８ピース１２４を同時に通過する一例を示す図である。Ｕ２３５ピース１２２を通過するビーム１２０の部分は積分型検出器１２６に伝播し、Ｕ２３８ピース１２４を通過するビーム１２０の部分は積分型検出器１２８に伝播する。
【００２８】
図８は、Ｕ２３８物質のピクセル１５１−１５６と列になっているＵ２３５物質のピクセル１４１−１４６を通過伝播する有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１４０を示す図である。このビームは、ビーム直径よりも小さな直径を有するＵ２３５物質を完全にカバーするであろう。例えば、ビーム直径１４０’が１ｃｍでありＵ２３５ピース１４８が０．５ｃｍの直径を有する場合、Ｕ２３５ピース１４８はビーム１４０によって完全にカバーされるであろう。Ｕ２３５物質のピクセル１４１−１４６およびＵ２３８物質のピクセル１５１−１５６のそれぞれについてＵ２３５ＮＲＦならびに非共鳴フォトンおよび粒子を測定するために、個別の積分型検出器（不図示）が配置される。本例では、複数の積分型検出器１６１−１６６の個々の積分型検出器は、各ピクセル対を通過するビーム部分を測定するよう配置される。したがって、ピクセル１４１を通過するビーム１４０の部分は次にピクセル１５１を通過し、積分型検出器１６１に伝播するであろう。ピクセル１４１−１４６およびピクセル１５１−１５６は２次元アレイとして示されているが、各ピクセルは紙面に垂直に伸びるピクセルアレイの一部であってもよく、その場合３次元ピクセルアレイが生成されることを注意しておく。この例示的な構成は、ビーム１４０の直径よりも小さなＵ２３５のピースの完全な２次元イメージを即座に提供する。そのようなビームをより大きなＵ２３５ピースに対して動かすことにより、そのようなピースのイメージを得ることができる。ビームとＵ２３５のピースとを相対的に動かすことで、Ｕ２３５の３次元イメージを得ることができる。ビームと、ピクセルアレイに対するそのビームのアライメントと、はひとつのユニットとして一定に保つことができ、ユニット全体を相対的に動かすことで、Ｕ２３５のピースのイメージを得ることができる。
【００２９】
本発明の実施の形態において収集されるデータを解析する例示的な方法を理解するために、図３Ａから４Ｂを考える。図３Ａにおいて、ＭＥＧａ−ｒａｙはＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられ、Ｕ２３５と出会うことなく容器を通過する。もし仮にビームがＵ２３５ＮＲＦ線にもＵ２３８ＮＲＦ線にも合わせられていないとした場合、各積分型検出器によって集められる信号の量はほぼ同じになるであろう。ビームが第１ホイルを伝播通過する際に、吸収や散乱によりいくらかのパワー低減が存在するであろう。したがって、２つの信号は規格化される。そしてビームがＵ２３５のＮＲＦ線に合わせられる場合、各検出器における信号レベル間の差は、第１ホイルのＵ２３５含有物からのＮＲＦによって生成される。この差は容器全体が除去されても変化しない。これはある面では重要である。検出システムをセットアップし位置合わせを行い、それから搬送容器などのターゲットをビーム経路内に入れることができるからである。ビーム経路がＵ２３５を有する物質と交差する場合、信号の差はビームが通過するＵ２３５の量によって決定されるであろう。この差を対数目盛りに置くことによって、Ｕ２３５ホイルに隣接する積分型検出器によって集められた、Ｕ２３５ＮＲＦ生成信号の量の小さな変化を明らかにすることができるであろう。これにより、さまざまな正確さの度合いによる、種々のデータ解析方法が可能となる。例えば、単にＵ２３５ターゲットとの相互作用の前および最中にＵ２３５検出器によって収集された共鳴信号の量を測定することによって、遭遇したＵ２３５の量に依存する信号の差が示される。別の例では、上記の通り、測定は、Ｕ２３５ターゲットとの相互作用の前および最中における、Ｕ２３５検出器およびＵ２３８検出器によって収集された共鳴信号の量により形成される。まず、信号を種々の方法により規格化することができる。これらの方法は、Ｕ２３８ホイルのＵ２３５ホイルへの代入を含み、また、ＭＥＧａ−ｒａｙビームを共鳴から外れるよう調整することを含む。Ｕ２３５共鳴上の２つの信号の差は、遭遇したＵ２３５の量に依存する。別の方法では、（ｉ）Ｕ２３５検出信号の第３検出器に対する比と（ｉｉ）Ｕ２３８検出信号の第３検出器に対する比との差が決定される。各方法において、結果を対数目盛りで示すことによって、線形目盛りの場合よりもかなり小さな変化を明らかにすることができる。他の信号解析方法はこれらの例に基づいて当業者には明らかとなるであろう。
【００３０】
本発明の変形例および使用例は当業者には明らかであろう。例えば、本明細書で開示された技術は開示された物質以外の物質についても使用されうる。積分型検出器の他の構成もまた、本発明の範囲内で用いられうる。本発明の実施の形態は、移動するターゲットの同位体組成を素早く決定するために使用されうる。例えば、ローレンスリバーモアナショナルラボラトリにおけるレーザイナーシャルフュージョン−フィッションエネルギ（ＬＩＦＥ）プロジェクトで使用されてもよいし、ぺベルベッド（pebble bed）リアクタにおいて使用されてもよい。対象が動く場合、本発明の構成は、速度の決定のためにドップラーシフトを測定する際に使用されうる。
【００３１】
本発明の上の説明は説明を目的として提示されたものであり、包括的であることを意図したものではなく、また本発明を開示の形態そのものに限定することを意図するものでもない。米国仮出願第６０／７２０９６５号は参照により本明細書に組み入れられる。上記教示に照らして多くの変形例が可能である。開示された実施の形態は本発明の原理およびその実際への応用を説明することのみを意図しており、それによって、他の当業者は本発明を、特定の期待される使用に適した種々の実施の形態でおよび種々の変形例と共に最も良く使用することができる。本発明の範囲は以下の請求項によって決定されるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００６年９月２６日に提出された米国特許出願第１１／５２８１８２号の一部継続出願である。米国特許出願第１１／５２８１８２号は参照により本明細書に組み込まれる。米国特許出願第１１／５２８１８２号は、２００５年９月２６日に提出された米国仮出願第６０／７２０９６５号の優先権の利益を享受する。
【０００２】
米国政府は、米国エネルギ省とローレンス リヴァーモア ナショナル セキュリティ，エルエルシーとの間の契約書番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従い、本発明の権利を保有する。
【０００３】
本発明は、単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙｓ）を利用するアプリケーションに関し、特に同位体を特徴化するためにＭＥＧａ−ｒａｙｓを利用する技術に関する。
【背景技術】
【０００４】
ＭＥＧａ−ｒａｙ源は、相対論的電子線（数百ＭｅＶ）からの、高エネルギ（ジュールクラス）で持続時間の短い（数ピコ秒）レーザパルスの放出によって生成される。その結果得られる放出フォトンは細いビーム（典型的にはミリラジアン程度のビームの開き）で前方に向けられ、単一エネルギ的であり、調整可能であり、偏光されている。また、放出フォトンは、１ＭｅＶを超えるガンマ線エネルギにおいて、最良のシンクロトロンにより得られるピークフォトン輝度（単位面積当たり、単位帯域幅当たりのフォトン数／秒／単位立体角）を１５桁以上上回るピークフォトン輝度を有する。そのようなビームは、特定の同位体の核内の陽子を効率的に励起することができる。これは核共鳴蛍光（ＮＲＦ）と呼ばれる。ＮＲＦ共鳴エネルギは核内の陽子および中性子の数の関数であり、したがって同位体ごとの一意なシグネチャとなる。特定の同位体を識別するためにＮＲＦを使用できることが提案されている。ＭＥＧａ−ｒａｙ源はこのアプリケーションについて理想的であること、および、ＭＥＧａ−ｒａｙ源は同位体の識別を可能とするだけでなく、所与の対象における同位体の量および空間分布を決定するために使用されうること、がさらに提案されている（Ｔ−ＲＥＸ／ＦＩＮＤＥＲ）。これらのタスクを完遂するため、特定の対象を通過したＭＥＧａ−ｒａｙビームを解析する。ＮＲＦ共鳴は狭く、典型的には共鳴エネルギに対して１０Ｅ−６程度の幅である。例えば、１ＭｅＶの共鳴エネルギについて１ｅＶ程度の幅である。一方ＭＥＧａ−ｒａｙ源はそのキャリアエネルギに対して典型的には１０Ｅ−３程度の幅である。例えば、１ＭｅＶのキャリアエネルギについて１ｋｅＶ程度の幅である。ベールの法則にしたがうと、所与の量（例えばグラム）の共鳴同位体は、ＭＥＧａ−ｒａｙビームから対応する量の共鳴フォトンを取り除く。したがって、対象を通過したＭＥＧａ−ｒａｙビームにおける共鳴フォトンの欠落の検出または測定を使用することで、物質の存在を決定できるだけでなく、その位置およびその量をも決定することができる。そうするためには、ＭＥＧａ−ｒａｙビームから所望の対象によって取り除かれた共鳴フォトンの数を決定することができる検出器が必要である。既知のガンマ線分光技術は、ＭｅＶスペクトル領域では１０Ｅ−３よりも良い分解能を出すことができないので、そのタスクを完遂することができない。ベルトッティ他（ベルトッティ特許）によって提案されるひとつの方法は、知りたい対象の後に観測下の物質を用い、ビームからのＮＲＦ共鳴フォトンの除去を評価することを想像している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
具体的な例を使用してベルトッティの提案をより詳しく考えてみる。例えば渡洋貿易のために使用されるような大きな容器の中に隠されたＵ２３５を見つける状況を考える。ベルトッティの提案は特に、制動放射源によって生成されるような多色ガンマ線ビームによる検査に適用される。図１Ａを参照すると、ベルトッティの提案では、カーゴ容器１２を通過したビーム１０は２つの「検出器」に作用する。透過検出器１４は、対象および第１検出器１６を通過したトータルのガンマ線を測定するエネルギコレクタである。第１検出器１６は容器内で探している物質／同位体の片（典型的にはホイル）からなる。すなわち、この例では、ホイルはＵ２３５のホイル１８である。検出器１６内のＵ２３５のホイルは、大面積ガンマ線分光計２０によって囲まれる。大面積ガンマ線分光計２０はＵ２３５ホイル１８によって散乱されたフォトンのスペクトルを測定する。カーゴ容器の中に数グラムよりも多い量のＵ２３５が存在する場合、共鳴フォトンは検査ガンマ線ビームから取り除かれ、Ｕ２３５のホイルを囲むガンマ線分光計は共鳴フォトンを観測しないであろう。図１Ｂに示されるように、検査ホイルにより散乱される光は、コンプトン散乱されたフォトンやデルブリュックフォトンや種々のエネルギ粒子などの非ＮＲＦフォトンおよび粒子２２からなるであろう。ビーム１０が容器内のＵ２３５を伝播しない場合、非ＮＲＦフォトンおよび粒子に加えて、散乱光の分光はＮＲＦフォトン２４を示すであろう。図２Ａは、Ｕ２３５物質３２を含むカーゴ容器３０を示す。Ｕ２３５物質３２は多色ビーム３４によって検査される。多色ビーム３４はＵ２３５線と共鳴する光を含む。図２Ｂに示されるように、散乱光の分光は非ＮＲＦフォトンおよび粒子３６のみを示し、したがってＮＲＦフォトンがないことを示し、したがって容器内にＵ２３５物質が存在することを示すであろう。この方法は原理的には動作するものの、いくらかの重大な制約を有する。特に、その方法が有効となるためには、散乱されたフォトンのガンマ線分光が要求される。ガンマ線分光は困難であり、ほぼ全ての場合において一度にひとつのガンマ線を収集しそのフォトンのトータルエネルギを解析することによって実現される。時間的に均等に分布するフォトン、例えば制動放射源から来るフォトンを有するビームの場合には、これはうまくいく可能性がある。しかしながら、制動放射源は、その広い帯域幅およびビームの開きのために透過ベースのＮＲＦ検出スキームには適していないことが示されている。広い帯域幅およびビームの広がりの両方はＮＲＦ検出に要求される条件にはマッチしない（プルート他の論文）。ＭＥＧａ−ｒａｙビームは、その狭い帯域幅および小さなビームの開き（制動放射よりも１００倍小さい）のために透過検出に適している。しかしながら、これらの源はその性質上大きなフォトンバーストを生成する。例えば、１秒当たり１０回から１００回のレートで、パルス当たり１０Ｅ１０程度のフォトンバーストである。ＭＥＧａ−ｒａｙ源は単一フォトン計測ベースのガンマ線分光にはマッチしない。
【０００６】
ベルトッティの方法の制約を除去する代替的な方法が望まれている。
【０００７】
レーザベースの逆コンプトン散乱による単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙｓ）源によって励起される核共鳴蛍光（ＮＲＦ）を介した、同位体の効率的な検出、分析およびイメージングを可能にすることが、本発明のひとつの目的である。
【０００８】
この目的および他の目的は、本明細書における開示に基づいて明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施の形態によると、単一フォトン計数分光の必要性が、ＭＥＧａ−ｒａｙベースの検出構成により軽減される。図３Ａは、観測対象の下流に位置する２つではなく３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す。後の検出器はビームモニタとして動作する積分型検出器であり、その表面に到達するトータルのビームパワーを監視する。この透過型検出器は、例えば米国特許出願公開第２００６／０１８８０６０号に記載されているベルトッティスキームにおける後の検出器と同等のものであってもよく、その出願は参照により本明細書に組み入れられる。先の検出器および中間検出器はそれぞれ、ホイルを囲む積分型検出器を含む。これら２つの検出器のホイルは同じ原子の材料により形成されるが、各ホイルは異なる同位体である。例えば、第１ホイルはＵ２３５を含んでもよく、第２ホイルはＵ２３８を含んでもよい。これらのホイル片を囲む積分型検出器は、ホイルから散乱されるトータルのパワーを測定し、最終ビームモニタと同様な構成を有してもよい。較正後、非共鳴フォトンは両方のホイルから同等に散乱されるであろう。すなわち、コンプトンやデルブリュックは１次近似では同位体の核子数に依存せず、原子の関数である。図３Ｂに示されるように、検査対象がＵ２３５を有さず検査ＭＥＧａ−ｒａｙビームがＵ２３５共鳴遷移に合わされている場合、第１ホイルは非共鳴フォトンに加えて共鳴フォトンも生成して散乱し、したがって第１ホイルからは第２ホイルよりも多くのエネルギが生じるであろう。検査対象の内容を診断するための種々の方法が本明細書で提供され、それらは本発明の範囲内にある。例えば、各ホイルによって散乱されたエネルギの比や各ホイルによって散乱されたエネルギの差を使用して、検査対象内での物質の存在を決定するだけでなく、以下も行える。すなわち、正確な比や差は物質の存在量の関数であり、したがってこの検出構成は量的なアッセイ情報を提供することもできる。ホイルを小さなピクセルに配置することによって、ＭＥＧａ−ｒａｙビームおよびＮＲＦを使用して特定の同位体の位置を高い空間分解能（ミクロン）で決定することもできる。
【００１０】
このジェネリックな構成は、１０ＲＥ−３幅の透過ＭＥＧａ−ｒａｙビームのなかで１０Ｅ−６幅のノッチの深さを効果的に識別するので、二重同位体ノッチ観測機（ＤＩＮＯ）と称される。ＭＥＧａ−ｒａｙ源は新しい（まだ数年しか経っていない）ので、だれもＤＩＮＯ的な検出器をどのように作るかについて考える必要はなかった。複数のＤＩＮＯ構成は本発明の範囲内にあり、そのような構成は以下を含むがそれに限定されない。
ａ）連なるホイル。ここでは、第１ホイルの減衰は較正され、測定の一部として取り入れられる。
ｂ）回転ホイル構成。ここでは、２（またはそれ以上）のホイルが連続ＭＥＧａ−ｒａｙパルスのビーム内に交互に配置される。
ｃ）同位体の複数構成。この構成は、ひとつ以上の同位体を同時に検出し分析するために、二重または多色ＭＥＧａ−ｒａｙビームと共に用いられる。
ｄ）両方のホイルおよびビームモニタからの信号の比により決定される検出および分析。
ｅ）両方のホイルおよびビームモニタからの信号の差により決定される検出および分析。
ｆ）物質の存在および量を決定するために、ビームモニタを使用せず同位体からの散乱のみを使用すること。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面は本開示に組み入れられ本開示の一部を形成する。添付の図面は本発明の実施の形態を説明し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明する役割を有する。
【００１２】
【図１Ａ】カーゴ容器を通過したビームが２つの検出器に作用する従来技術に係る構成を示す図である。
【００１３】
【図１Ｂ】検査ホイルによって散乱された光を示す図である。
【００１４】
【図２Ａ】Ｕ２３５物質を含むカーゴ容器を示す図である。Ｕ２３５物質は多色ビームによって検査される。多色ビームはＵ２３５線と共鳴する光を含む。
【００１５】
【図２Ｂ】非ＮＲＦフォトンおよび粒子のみを示す散乱光のスペクトルを示す図である。
【００１６】
【図３Ａ】ビーム経路上にＵ２３５を有さない容器の下流に位置する３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す図である。
【００１７】
【図３Ｂ】検査対象がＵ２３５を有さず検査ＭＥＧａ−ｒａｙビームがＵ２３５共鳴遷移に合わされている場合、ホイルは非共鳴フォトンに加えて共鳴フォトンも生成して散乱し、したがって第１ホイルからは第２ホイルよりも多くのエネルギが生じることを示す図である。
【００１８】
【図４Ａ】ビーム経路上にＵ２３５を有する容器の下流に位置する３つの検出器からなる検出器構成を含む本発明の実施の形態を示す図である。
【００１９】
【図５】本発明の一例を示す図である。そこでは、テスト対象を出た後、プローブビームはビームモニタリング検出器に伝播する前に、Ｕ２３８ホイルを通過し、次にＵ２３５ホイルを通過する。
【００２０】
【図６Ａ】単一回転ホイルを使用する実施の形態を示す図である。
【００２１】
【図６Ｂ】図６Ａの回転ホイルの半分２つを示す図である。
【００２２】
【図７】有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビームの一部がＵ２３５ピースおよびＵ２３８を同時に通過する一例を示す図である。
【００２３】
【図８】Ｕ２３８物質のピクセルと列になっているＵ２３５物質のピクセルを通過伝播する有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図３Ａは、ビームの経路上にＵ２３５もＵ２３８もない本発明の実施の形態を示す。特に、ＭＥＧａ−ｒａｙプローブビーム５０はＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられている。ビーム５０の経路は容器５２を通過する際、Ｕ２３５物質ともＵ２３８物質とも交差しない。容器５２を通過した後、ビーム５０は第１ホイル５４に伝播してそれを通過する。第１ホイル５４は積分型検出器５６によって囲まれている。ホイル５４を通過した後、ビーム５０は第２ホイル５８に伝播してそれを通過する。第２ホイル５８は積分型検出器６０によって囲まれている。ホイル５８を通過した後、ビーム５０は積分型検出器６２に伝播する。ビーム５０はＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられている一方、容器５２を通過する際Ｕ２３５に出会わないので、ビーム５０内でＵ２３５共鳴フォトンの低減は発生しない。したがって、Ｕ２３５ホイル５４は、仮にビーム５０が容器５２を通じた経路上でＵ２３５に出会ったとした場合のＮＲＦよりも多量のＮＲＦを生成する。もし仮にビーム５０内の全ての共鳴フォトンが除去されてしまう程度に十分な量のＵ２３５が容器５２内のビーム５０の経路上に存在するとした場合、減衰ロスを考慮した各検出器での信号の規格化の後、ホイル５４および５８からの非共鳴フォトンおよび散乱の量は１次近似で同じになるであろう。図３Ａの例では、容器を通じたビーム経路内にはＵ２３５（またはＵ２３８）は存在しない。したがって、非共鳴フォトンおよび散乱粒子に加えて、積分型検出器はプローブビーム５０とホイル５４のＵ２３５との相互作用により生成される共鳴を集める。図３Ｂは、図３Ａの例における、積分型検出器５６および５８によって生成される信号を示す。図４Ａの要素は、ビーム５０が容器５２を通過する際のそのビーム５０の経路内にＵ２３５物質６２が存在するという点を除いた全ての点で、図３Ａの要素と同等である。この例では、ビーム５０から全ての共鳴フォトンを除去できる程度に十分な量のＵ２３５が存在する。したがって、図４Ｂに示されるように、ホイル５４からのＵ２３５ＮＲＦの生成はない。ホイル５４によってＵ２３５ＮＲＦが全く生成されない場合、ビーム経路内のＵ２３５の量を推し量ることはできない。例えば出願番号１１／５２８１８２（米国特許第７５６４２４１号）には、本発明で使用されるＭＥＧａ−ｒａｙ源によって生成されるガンマ線エネルギ（１ＭｅＶを超える）の大きさが示されており、その出願は参照により本明細書に組み入れられる。そのガンマ線エネルギの大きさにより、本発明は、容器５２を通じたビーム５０の経路内にＵ２３５が存在しても、ホイル５４においてＵ２３５ＮＲＦを生成することができる。したがって、ホイル５４によって生成されるＵ２３５ＮＲＦの量が、ビーム５０が容器５４を通じた経路上でＵ２３５に出会わない場合に生成される量よりも少ない場合、生成されるＵ２３５の量はビーム５０の経路におけるその物質の量を示す。さらに、ビーム５０の経路を容器５２に対して動かすことで、容器５２内でのＵ２３５物質の２Ｄおよび３Ｄの両方のイメージが得られる。２Ｄおよび３Ｄイメージを得るための他の技術が以下に説明される。さらに他の技術は、本明細書における説明に基づき、当業者には自明であろう。本発明はＵ２３５の存在、アッセイおよびイメージを決定する例を使用するが、本発明は他の物質でのアプリケーションにおいて同じ目的で使用されうる。
【００２５】
図５は別の例を示す。そこでは、テスト対象（不図示）を出た後、プローブビーム７０はビームモニタリング検出器９０に伝播する前に、Ｕ２３８ホイル７２を通過し、次にＵ２３５ホイル８２を通過する。積分型検出器７４は断面で示されており、ホイル７２の近くに配置されている。積分型検出器７４は本例ではホイル８２の近くに配置された検出器８４と実質的に同様である。積分型検出器７４はシンチレータ７６および２つの光電子増倍管７７および７８から形成される。コンプトンシールド７９はホイル７２とシンチレータ７６との間に配置される。
【００２６】
図６Ａは、上記の二重ホイルでなくむしろ単一回転ホイルを使用する実施の形態を示す。この例では、テスト対象を出た後、ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１００は回転ホイル１０２を通過し、積分型検出器１０６に作用する。積分型検出器１０４は図５の検出器７４および８４と同様であり、回転ホイル１０２の近くに設けられる。図６Ｂは、回転ホイル１０２の正面図である。図６Ｂに示されるように、回転ホイルの半分１０２’はＵ２３５を含み、もう半分１０２’’はＵ２３８を含む。ビーム１００は固定レートでパルス化されており、回転ホイル１０２は、ビーム１００のパルスのレートの半分の固定レートで回転する。そのような回転レートでは、ビーム１００はあるパルスにおいてＵ２３５部分を通過し、次のパルスにおいてビーム１００はＵ２３８部分を通過するであろう。
【００２７】
図７は、有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１２０の一部がＵ２３５ピース１２２およびＵ２３８ピース１２４を同時に通過する一例を示す図である。Ｕ２３５ピース１２２を通過するビーム１２０の部分は積分型検出器１２６に伝播し、Ｕ２３８ピース１２４を通過するビーム１２０の部分は積分型検出器１２８に伝播する。
【００２８】
図８は、Ｕ２３８物質のピクセル１５１−１５６と列になっているＵ２３５物質のピクセル１４１−１４６を通過伝播する有限面積ＭＥＧａ−ｒａｙビーム１４０を示す図である。このビームは、ビーム直径よりも小さな直径を有するＵ２３５物質を完全にカバーするであろう。例えば、ビーム直径１４０’が１ｃｍでありＵ２３５ピース１４８が０．５ｃｍの直径を有する場合、Ｕ２３５ピース１４８はビーム１４０によって完全にカバーされるであろう。Ｕ２３５物質のピクセル１４１−１４６およびＵ２３８物質のピクセル１５１−１５６のそれぞれについてＵ２３５ＮＲＦならびに非共鳴フォトンおよび粒子を測定するために、個別の積分型検出器（不図示）が配置される。本例では、複数の積分型検出器１６１−１６６の個々の積分型検出器は、各ピクセル対を通過するビーム部分を測定するよう配置される。したがって、ピクセル１４１を通過するビーム１４０の部分は次にピクセル１５１を通過し、積分型検出器１６１に伝播するであろう。ピクセル１４１−１４６およびピクセル１５１−１５６は２次元アレイとして示されているが、各ピクセルは紙面に垂直に伸びるピクセルアレイの一部であってもよく、その場合３次元ピクセルアレイが生成されることを注意しておく。この例示的な構成は、ビーム１４０の直径よりも小さなＵ２３５のピースの完全な２次元イメージを即座に提供する。そのようなビームをより大きなＵ２３５ピースに対して動かすことにより、そのようなピースのイメージを得ることができる。ビームとＵ２３５のピースとを相対的に動かすことで、Ｕ２３５の３次元イメージを得ることができる。ビームと、ピクセルアレイに対するそのビームのアライメントと、はひとつのユニットとして一定に保つことができ、ユニット全体を相対的に動かすことで、Ｕ２３５のピースのイメージを得ることができる。
【００２９】
本発明の実施の形態において収集されるデータを解析する例示的な方法を理解するために、図３Ａから４Ｂを考える。図３Ａにおいて、ＭＥＧａ−ｒａｙはＵ２３５ＮＲＦ線に合わせられ、Ｕ２３５と出会うことなく容器を通過する。もし仮にビームがＵ２３５ＮＲＦ線にもＵ２３８ＮＲＦ線にも合わせられていないとした場合、各積分型検出器によって集められる信号の量はほぼ同じになるであろう。ビームが第１ホイルを伝播通過する際に、吸収や散乱によりいくらかのパワー低減が存在するであろう。したがって、２つの信号は規格化される。そしてビームがＵ２３５のＮＲＦ線に合わせられる場合、各検出器における信号レベル間の差は、第１ホイルのＵ２３５含有物からのＮＲＦによって生成される。この差は容器全体が除去されても変化しない。これはある面では重要である。検出システムをセットアップし位置合わせを行い、それから搬送容器などのターゲットをビーム経路内に入れることができるからである。ビーム経路がＵ２３５を有する物質と交差する場合、信号の差はビームが通過するＵ２３５の量によって決定されるであろう。この差を対数目盛りに置くことによって、Ｕ２３５ホイルに隣接する積分型検出器によって集められた、Ｕ２３５ＮＲＦ生成信号の量の小さな変化を明らかにすることができるであろう。これにより、さまざまな正確さの度合いによる、種々のデータ解析方法が可能となる。例えば、単にＵ２３５ターゲットとの相互作用の前および最中にＵ２３５検出器によって収集された共鳴信号の量を測定することによって、遭遇したＵ２３５の量に依存する信号の差が示される。別の例では、上記の通り、測定は、Ｕ２３５ターゲットとの相互作用の前および最中における、Ｕ２３５検出器およびＵ２３８検出器によって収集された共鳴信号の量により形成される。まず、信号を種々の方法により規格化することができる。これらの方法は、Ｕ２３８ホイルのＵ２３５ホイルへの代入を含み、また、ＭＥＧａ−ｒａｙビームを共鳴から外れるよう調整することを含む。Ｕ２３５共鳴上の２つの信号の差は、遭遇したＵ２３５の量に依存する。別の方法では、（ｉ）Ｕ２３５検出信号の第３検出器に対する比と（ｉｉ）Ｕ２３８検出信号の第３検出器に対する比との差が決定される。各方法において、結果を対数目盛りで示すことによって、線形目盛りの場合よりもかなり小さな変化を明らかにすることができる。他の信号解析方法はこれらの例に基づいて当業者には明らかとなるであろう。
【００３０】
本発明の変形例および使用例は当業者には明らかであろう。例えば、本明細書で開示された技術は開示された物質以外の物質についても使用されうる。積分型検出器の他の構成もまた、本発明の範囲内で用いられうる。本発明の実施の形態は、移動するターゲットの同位体組成を素早く決定するために使用されうる。例えば、ローレンスリバーモアナショナルラボラトリにおけるレーザイナーシャルフュージョン−フィッションエネルギ（ＬＩＦＥ）プロジェクトで使用されてもよいし、ぺベルベッド（pebble bed）リアクタにおいて使用されてもよい。対象が動く場合、本発明の構成は、速度の決定のためにドップラーシフトを測定する際に使用されうる。
【００３１】
本発明の上の説明は説明を目的として提示されたものであり、包括的であることを意図したものではなく、また本発明を開示の形態そのものに限定することを意図するものでもない。米国仮出願第６０／７２０９６５号は参照により本明細書に組み入れられる。上記教示に照らして多くの変形例が可能である。開示された実施の形態は本発明の原理およびその実際への応用を説明することのみを意図しており、それによって、他の当業者は本発明を、特定の期待される使用に適した種々の実施の形態でおよび種々の変形例と共に最も良く使用することができる。本発明の範囲は以下の請求項によって決定されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１構成と、
前記第１構成からの信号Ａを検出するよう配置された第１積分型検出器と、
第２構成と、
前記第２構成からの信号Ｂを検出するよう配置された第２積分型検出器と、を備え、
前記第１構成および前記第２構成は同じ原子の材料を含み、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
前記第２構成は主に第２同位体からなる部分Ｂを含み、
前記第１構成および前記第２構成は単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、装置。
【請求項２】
前記単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームの少なくともある部分と交差するよう構成された第３積分型検出器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ビームを提供するためのＭＥＧａ−ｒａｙ源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記源は、前記第１同位体または前記第２同位体の一方の核共鳴蛍光（ＮＲＦ）線で前記ビームを提供するよう構成可能である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記源は、前記第１構成および前記第２構成を通過して前記第３積分型検出器に入るよう前記ビームを方向付ける、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第１構成は第１ホイルを含み、前記第２構成は第２ホイルを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１構成はディスクの第１部分として形成され、前記第２構成は前記ディスクの第２部分として形成され、
前記装置はさらに、前記ディスクを回転させる手段を備え、
前記ビームは、前記第１部分および前記第２部分を異なる時に通過することができる、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記第１同位体はＵ２３５からなり、前記第２同位体はＵ２３８からなる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記信号Ａはフォトンおよび散乱からなる第１グループから選択され、前記信号Ｂはフォトンおよび散乱からなる第２グループから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記源は、少なくとも１ＭｅＶのエネルギを有するＭＥＧａ−ｒａｙを生成することができる、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記ビームと、前記第１構成または前記第２構成の少なくとも一方と、の間の相対運動を提供するための手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１積分型検出器および前記第２積分型検出器のそれぞれは、シンチレータと、少なくともひとつの光電子増倍管と、コンプトンシールドと、を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１構成は、第１ピクセルグループとして配列された複数の第１構成のうちのひとつであり、前記第２構成は、第２ピクセルグループとして配列された複数の第２構成のうちのひとつであり、前記第３積分型検出器は、複数の第３積分型検出器のうちのひとつである、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数の第３積分型検出器のそれぞれは、１次元アレイおよび２次元アレイからなるグループから選択されたアレイに構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数の第３積分型検出器のそれぞれの少なくとも一部は、前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
（ｉ）同位体の存在、および
（ｉｉ）前記同位体の量
のうちの少なくともひとつを決定するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび前記第３積分型検出器からの信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析する手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
２Ｄイメージおよび３Ｄイメージからなるグループから選択されたイメージを生成するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび前記第３積分型検出器からの信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析する手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームと、テスト対象、第１構成および第２構成と、を相互作用させることを含み、
前記第１構成および前記第２構成は同じ原子の材料を含み、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
前記第２構成は主に第２同位体からなる部分Ｂを含み、
本方法はさらに、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第１構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第１部分を検出し、信号Ａを生成することと、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第２構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第２部分を検出し、信号Ｂを生成することと、
前記テスト対象が前記第１同位体または前記第２同位体の一方を含むか否かを決定するために、前記信号Ａと前記信号Ｂとを比較することと、を含む方法。
【請求項１９】
前記テスト対象に存在する前記第１同位体または前記第２同位体の一方の量を決定するために前記信号Ａと前記信号Ｂとを比較することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ビームモニタにより前記ビームのエネルギを検出することをさらに含み、
前記検出ステップは、前記テスト対象、前記第１構成および前記第２構成と相互作用した後の前記ビームのエネルギを検出し、信号Ｃを生成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記特定材料のアッセイを決定することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記特定材料のアッセイを決定するステップは、
前記信号Ａの前記信号Ｃに対する比Ａを計算することと、
前記信号Ｂの前記信号Ｃに対する比Ｂを計算することと、
前記比Ａと前記比Ｂとの差を計算することと、を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記差を対数目盛りでプロットすることをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ＭＥＧａ−ｒａｙは、少なくとも１ＭｅＶのエネルギを有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記ビームと、前記第１構成または前記第２構成の少なくとも一方と、の間の相対運動を提供することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１構成は、第１ピクセルグループとして配列された複数の第１構成のうちのひとつであり、前記第２構成は、第２ピクセルグループとして配列された複数の第２構成のうちのひとつであり、前記ビームモニタは、複数のビームモニタのうちのひとつである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数のビームモニタのそれぞれは、１次元アレイおよび２次元アレイからなるグループから選択されたアレイに構成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数のビームモニタのそれぞれの少なくとも一部は、前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
２Ｄイメージおよび３Ｄイメージからなるグループから選択されたイメージを生成するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームと、テスト対象および第１構成と、を相互作用させることを含み、前記第１構成、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
本方法はさらに、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第１構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第１部分を検出し、信号Ａを生成することと、
前記テスト対象が前記第１同位体を含むか否かを決定するために、前記信号Ａを解析することと、を含む方法。
【請求項１】
第１構成と、
前記第１構成からの信号Ａを検出するよう配置された第１積分型検出器と、
第２構成と、
前記第２構成からの信号Ｂを検出するよう配置された第２積分型検出器と、を備え、
前記第１構成および前記第２構成は同じ原子の材料を含み、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
前記第２構成は主に第２同位体からなる部分Ｂを含み、
前記第１構成および前記第２構成は単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、装置。
【請求項２】
前記単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームの少なくともある部分と交差するよう構成された第３積分型検出器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ビームを提供するためのＭＥＧａ−ｒａｙ源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記源は、前記第１同位体または前記第２同位体の一方の核共鳴蛍光（ＮＲＦ）線で前記ビームを提供するよう構成可能である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記源は、前記第１構成および前記第２構成を通過して前記第３積分型検出器に入るよう前記ビームを方向付ける、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第１構成は第１ホイルを含み、前記第２構成は第２ホイルを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１構成はディスクの第１部分として形成され、前記第２構成は前記ディスクの第２部分として形成され、
前記装置はさらに、前記ディスクを回転させる手段を備え、
前記ビームは、前記第１部分および前記第２部分を異なる時に通過することができる、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記第１同位体はＵ２３５からなり、前記第２同位体はＵ２３８からなる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記信号Ａはフォトンおよび散乱からなる第１グループから選択され、前記信号Ｂはフォトンおよび散乱からなる第２グループから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記源は、少なくとも１ＭｅＶのエネルギを有するＭＥＧａ−ｒａｙを生成することができる、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記ビームと、前記第１構成または前記第２構成の少なくとも一方と、の間の相対運動を提供するための手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１積分型検出器および前記第２積分型検出器のそれぞれは、シンチレータと、少なくともひとつの光電子増倍管と、コンプトンシールドと、を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１構成は、第１ピクセルグループとして配列された複数の第１構成のうちのひとつであり、前記第２構成は、第２ピクセルグループとして配列された複数の第２構成のうちのひとつであり、前記第３積分型検出器は、複数の第３積分型検出器のうちのひとつである、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数の第３積分型検出器のそれぞれは、１次元アレイおよび２次元アレイからなるグループから選択されたアレイに構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数の第３積分型検出器のそれぞれの少なくとも一部は、前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
（ｉ）同位体の存在、および
（ｉｉ）前記同位体の量
のうちの少なくともひとつを決定するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび前記第３積分型検出器からの信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析する手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
２Ｄイメージおよび３Ｄイメージからなるグループから選択されたイメージを生成するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび前記第３積分型検出器からの信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析する手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームと、テスト対象、第１構成および第２構成と、を相互作用させることを含み、
前記第１構成および前記第２構成は同じ原子の材料を含み、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
前記第２構成は主に第２同位体からなる部分Ｂを含み、
本方法はさらに、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第１構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第１部分を検出し、信号Ａを生成することと、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第２構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第２部分を検出し、信号Ｂを生成することと、
前記テスト対象が前記第１同位体または前記第２同位体の一方を含むか否かを決定するために、前記信号Ａと前記信号Ｂとを比較することと、を含む方法。
【請求項１９】
前記テスト対象に存在する前記第１同位体または前記第２同位体の一方の量を決定するために前記信号Ａと前記信号Ｂとを比較することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ビームモニタにより前記ビームのエネルギを検出することをさらに含み、
前記検出ステップは、前記テスト対象、前記第１構成および前記第２構成と相互作用した後の前記ビームのエネルギを検出し、信号Ｃを生成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記特定材料のアッセイを決定することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記特定材料のアッセイを決定するステップは、
前記信号Ａの前記信号Ｃに対する比Ａを計算することと、
前記信号Ｂの前記信号Ｃに対する比Ｂを計算することと、
前記比Ａと前記比Ｂとの差を計算することと、を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記差を対数目盛りでプロットすることをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ＭＥＧａ−ｒａｙは、少なくとも１ＭｅＶのエネルギを有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記ビームと、前記第１構成または前記第２構成の少なくとも一方と、の間の相対運動を提供することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１構成は、第１ピクセルグループとして配列された複数の第１構成のうちのひとつであり、前記第２構成は、第２ピクセルグループとして配列された複数の第２構成のうちのひとつであり、前記ビームモニタは、複数のビームモニタのうちのひとつである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数のビームモニタのそれぞれは、１次元アレイおよび２次元アレイからなるグループから選択されたアレイに構成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１ピクセルグループ、前記第２ピクセルグループおよび前記複数のビームモニタのそれぞれの少なくとも一部は、前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームの少なくともある部分と交差するよう構成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
２Ｄイメージおよび３Ｄイメージからなるグループから選択されたイメージを生成するために、前記信号Ａ、前記信号Ｂおよび信号Ｃのうちの少なくともひとつを解析することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
単一エネルギガンマ線（ＭＥＧａ−ｒａｙ）ビームと、テスト対象および第１構成と、を相互作用させることを含み、前記第１構成、
前記第１構成は主に第１同位体からなる部分Ａを含み、
本方法はさらに、
前記ＭＥＧａ−ｒａｙビームと前記第１構成との相互作用に起因する散乱およびフォトンの第１部分を検出し、信号Ａを生成することと、
前記テスト対象が前記第１同位体を含むか否かを決定するために、前記信号Ａを解析することと、を含む方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１１０２２（Ｐ２０１３−５１１０２２Ａ）
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２１６８２（Ｐ２０１２−５２１６８２）
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４２０８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１５６３
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１２０１４５００）ローレンス リヴァーモア ナショナル セキュリティ，エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４２０８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１５６３
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１２０１４５００）ローレンス リヴァーモア ナショナル セキュリティ，エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
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